On pense que les grandes galaxies se forment progressivement, sur des milliards d’années de temps cosmique Alors pourquoi les astronomes continuent-ils à les trouver dans le jeune univers primitif?

Récemment, une équipe internationale d’astronomes a voyagé dans le temps à l’époque où notre univers n’avait que 18 milliards d’années Ils ne sont pas allés directement, bien sûr, mais ont opté pour la meilleure chose suivante: recueillir 17 heures de lumière des étoiles d’une seule petite parcelle du cosmos lointain avec le grand observatoire du télescope binoculaire au sommet du mont Graham dans le sud-est de l’Arizona De tels voyages virtuels à remontage d’horloge sont une routine en astronomie – la vitesse finie de la lumière garantit que plus vous voyez profondément dans l’espace, plus vous remontez dans le temps. Et de nombreux observatoires du monde entier peuvent recueillir de faibles photons provenant de cieux anciens Mais cette escapade cosmique particulière concernait quelque chose de spécial, voire de dérangeant: une galaxie elliptique anormalement lourde baptisée C1-23152 Cette agrégation d’étoiles en forme d’oeuf est si démesurée qu’elle défie les modèles conventionnels de ses origines En termes simples, C1-23152 semble être trop grand pour s’adapter au premier univers

On pense que les premières galaxies étaient relativement minuscules, s’agglutinant petit à petit à partir de blocs de construction plus petits et n’atteignant des tailles gargantuesques qu’après des milliards d’années de croissance Bénéficiant d’environ 200 milliards d’étoiles de masse solaire, C1-23152 pointe puis renverse les échelles de ce scénario Et ce n’est pas seul Au cours de la dernière décennie, les astronomes ont découvert plusieurs géants galactiques très anciens et très grands En 2017, par exemple, une paire de galaxies extrêmement grandes – une capable de produire 2900 masses solaires d’étoiles par an – existait moins de 800 millions d’années après le big bang. En 2019, une famille de 39 énormes galaxies – chacune étant une fabrique d’étoiles fabriquant peut-être 200 étoiles de masse solaire par an – a été découverte en train de parcourir l’univers dans les deux milliards d’années suivant sa naissance.

Ce nombre toujours croissant de vastes objets vénérables menace-t-il de faire tomber le modèle traditionnel de formation de galaxies? “Le truc ici est: combien en avez-vous?” dit Marcel Neeleman, astronome à l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, qui n’a pas participé à la nouvelle étude Une poignée n’aura pas d’importance; l’univers est suffisamment grand pour que des choses étranges surgissent de temps en temps Mais si les télescopes futurs, de plus en plus avancés, parviennent à en trouver beaucoup plus, alors peut-être que ces galaxies colossales de l’enfance de l’univers pourraient briser notre compréhension du cosmos.

Ce qui est devenu le modèle largement accepté de formation de galaxies est en grande partie glané à partir de simulations d’évolution cosmique qui reproduisent nos observations de l’univers local – ce que nous pouvons voir près de la Voie lactée

Après le big bang, le cosmos s’est élargi et s’est étendu assez uniformément dans toutes les directions Mais, dit Neeleman, vous obtenez «de minuscules variations de densité dans le tissu de l’univers«Ces variations abritent des amas de matière noire, une substance qui émet peu ou pas de rayonnement électromagnétique En tant que telle, la matière noire n’a pas encore été détectée directement, mais les observations de galaxies indiquent que cette masse invisible produit sa propre attraction gravitationnelle Cela signifie que ces amas de matière noire attirent de la matière «ordinaire» (ce que les humains peuvent détecter et avec lesquels nous pouvons interagir), dont la plupart sont des gaz Le gaz tombe dans ces puits de gravité et s’écrase pour déclencher la formation d’étoiles De plus en plus de matière continue de tomber dans ces puits en constante expansion – appelés «halos» de matière noire par les astronomes – formant progressivement des structures de plus en plus grandes au cours du 13Durée de vie de 8 milliards d’années de l’universCe processus devrait plus ou moins créer la distribution des galaxies que nous voyons aujourd’hui, déclare Paolo Saracco, astronome à l’Institut national italien d’astrophysique et auteur principal d’une étude rapportant les observations récentes de C1-23152.

C’est pourquoi les anciennes galaxies massives sont problématiques «Pour notre compréhension actuelle de la formation des galaxies, nous avons en quelque sorte construit sur les galaxies que nous connaissions à l’époque», explique Coral Wheeler, astronome à la California State Polytechnic University, Pomona, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. Ces galaxies n’incluaient pas les très anciennes, petites ou grandes Regarder plus loin dans le temps avec des télescopes de plus en plus puissants a commencé à révéler ces valeurs aberrantes apparentes Et alors que le nombre d’entités anormales augmentait, les astronomes ont commencé à se demander si leurs modèles devaient s’étendre pour leur faire de la place ou si ces modèles se déformeraient et se briseraient sous la tension.

Comme indiqué dans le journal astrophysique en décembre 2020, l’équipe de Saracco a réussi à extraire quelques détails juteux de C1-23152 La lumière provenant de régions cosmiques lointaines est étirée par l’univers en expansion alors qu’il se déplace vers la Terre Plus il est étiré, plus son déplacement vers la section «rouge» de plus grande longueur d’onde du spectre électromagnétique est important Ce «décalage vers le rouge» de la lumière des étoiles de C1-23152 indique qu’il est apparu il y a 12 milliards d’années, il y a bien longtemps dans la jeunesse de l’univers Le fait que cette galaxie soit à la fois ancienne et massive à elle seule est suffisamment problématique pour les modèles traditionnels de formation de galaxies lentement mais sûrement. Mais il n’a pas simplement semblé complètement formé La véritable percée de Saracco et de son équipe a été de retracer l’histoire de la formation d’étoiles de C1-23152 à travers l’univers.

La clé de cette percée a été de voir le spectre de la galaxie géante – une mesure arc-en-ciel des différentes longueurs d’onde, ou couleurs, qu’un objet émet ou absorbe Des combinaisons de couleurs particulières distinguent des éléments spécifiques, ce qui signifie que cette symphonie spectrale peut être utilisée pour déterminer la composition des étoiles d’une galaxie En utilisant ce pouvoir, Saracco dit, «pour la première fois, nous avons calculé, avec une très bonne précision, l’âge moyen de la population stellaire à l’intérieur [C1-23152] et le temps nécessaire pour former ces étoiles.”

Le nombre d’éléments en C1-23152 qui se sont révélés plus lourds que l’hydrogène et l’hélium – que les astronomes appellent collectivement des «métaux» – a laissé entendre son étrangeté Les métaux sont produits par la formation d’étoiles, qui les jette dans le milieu interstellaire d’une galaxie à travers des supernovae, les rendant ainsi disponibles pour les étoiles de la prochaine génération. Plus de métaux équivaut à plus de cycles de formation d’étoiles, et il a fallu plusieurs milliards d’années aux galaxies massives actuelles pour devenir riches en métaux Le spectre de C1-23152 a révélé que la galaxie était une véritable aubaine de métal à ses débuts, ce qui signifie qu’elle a fait beaucoup d’étoiles très rapidement peu de temps après sa formation.

À quelle vitesse? Les caractéristiques spectrales des étoiles peuvent également répondre à cette question, car elles révèlent lesquelles ont des éléments typiques d’étoiles plus jeunes ou plus âgées. Les plus jeunes étoiles de C1-23152 ont environ 150 millions d’années Les plus anciens ont environ 600 millions d’années Cela signifie que la galaxie a produit quelque 200 milliards de masses solaires en seulement un demi-milliard d’années, soit un taux de 450 étoiles par an, plus d’une par jour Le chiffre est près de 300 fois supérieur aux estimations de la sortie actuelle de la Voie lactée Si la plupart des galaxies sont des feux de bûches à combustion lente, avec de nouvelles flammes surgissant de temps en temps, C1-23152 est un feu de joie imbibé d’essence

C1-23152 et ses cousins ​​similaires présentent aux astronomes une énigme potentiellement révolutionnaire: comment des galaxies massives peuvent-elles être assemblées et incendiées si rapidement si tôt? Pour l’instant, la réponse, en bref, est qu’ils ne peuvent pas

Depuis un certain temps, les simulations peinent à faire pousser ces galaxies géantes Mais cela ne signifie pas qu’ils ne peuvent tout simplement pas le faire Au lieu de cela, le problème peut résider dans la façon dont ils sont programmés

«Lorsque vous exécutez une simulation, il y a un compromis entre la taille du volume que vous souhaitez simuler et la quantité de détails que vous pouvez simuler en raison de la puissance de l’ordinateur que vous avez ou non», déclare Ben Forrest, un astronome de l’Université de Californie à Riverside et co-auteur de la nouvelle étude Si ces anciennes galaxies massives sont rares, peut-être que nous n’utilisons pas de boîtes assez grandes pour en donner la chance «Peut-être que certaines des simulations ne couvrent pas vraiment assez de volume», dit-il

Les modifier rapidement pour engendrer des méga galaxies des premières époques du temps cosmique n’est pas non plus facile «Il faut beaucoup de temps pour les réexécuter Si vous voulez changer quelque chose, vous devez être à peu près sûr que c’est juste et que c’est ce que vous voulez faire », déclare Forrest

Certaines des dernières itérations de simulations, avec de meilleures données et une meilleure puissance de calcul, prédisent que ces galaxies massives existeront en petit nombre aux premiers temps, ajoute-t-il. Mais contrairement à ce qui est observé dans la réalité, ils ont tendance à faire encore des étoiles Les galaxies anciennes, y compris C1-23152, arrêtent brusquement la formation d’étoiles après un pic productif – soit parce qu’elles manquent d’hydrogène et d’hélium, soit parce que le rayonnement provenant de nouvelles récoltes d’étoiles et d’autres sources astrophysiques trop zélées cuit ce gaz et le fait exploser hors de portée De toute évidence, certains ingrédients manquent encore dans nos recettes virtuelles, nous ne pouvons donc pas encore nous fier à eux pour une explication

Les scientifiques ont trouvé ailleurs des indices qui pourraient expliquer ces anciennes méga galaxies Anastasia Fialkov, cosmologiste à l’Université de Cambridge, qui n’a pas participé aux derniers travaux, affirme que, contrairement aux simulations à part entière, les calculs de physique analytique peuvent «prendre en compte tout le volume de l’univers.«Et ils suggèrent qu’un petit nombre de halos de matière noire capables d’initier la formation d’étoiles apparaissent à peine 40 millions d’années après le big bang

Ce moment est nettement plus tôt que la majorité des halos de matière noire qui se manifestent plus tard dans les époques juvéniles de l’univers – ceux que l’on pense être responsables de l’ensemencement de la plupart des galaxies que nous voyons aujourd’hui Au lieu de cela, les halos apparus 40 millions d’années après le Big Bang auraient été capables d’ensemencer les débuts des anciennes galaxies massives qui finiraient par devenir détectables via nos télescopes. L’univers primitif était également plus dense, note Wheeler Cela rendrait le ramassage de l’hydrogène et de l’hélium de fabrication d’étoiles autour de ces halos de matière noire primordiaux, et finalement des galaxies, assez facilement.

Une autre option, dit Neeleman, est qu’une combinaison de choses aurait pu se produire De rares poches hyperdenses de l’univers permettraient très tôt des fusions multigalaxies, tandis que des flux canalisant du gaz dans le cœur des galaxies pourraient suralimenter la formation d’étoiles.

Quoi qu’il en soit, l’émergence d’immenses galaxies anciennes s’explique plus facilement si la matière noire est froide Ici, «froid» signifie que la matière noire se déplace relativement lentement La matière noire «chaude» se déplacerait à des vitesses approchant la vitesse de la lumière De manière générale, plus la matière noire est froide, plus elle peut se condenser facilement en halos ensemenceurs de galaxies Cette hypothèse n’est peut-être pas nécessairement correcte, mais «la matière noire froide est le scénario de matière noire le plus simple qui fonctionne», déclare Fialkov.

On ne sait pas quel amalgame de ces événements, le cas échéant, explique le mieux les origines et l’évolution de C1-23152, sans parler de ses colossaux cousins “Ce n’est pas un coin spécial de l’univers” que nous examinons, dit Saracco Mais, plus important encore, rien ici ne menace de renverser le modèle traditionnel de formation de galaxies lentement mais sûrement, dit-il. Ces galaxies anciennes et massives ne représentent qu’une autre voie à emprunter pour les galaxies

Le modèle traditionnel survit pour le moment mais seulement, en partie, parce que peu de ces galaxies massives ont été trouvées «Nous avons affaire à des statistiques en petit nombre», déclare Forrest Les scientifiques n’ont cependant pas une bonne idée de la véritable quantité de mastodontes Jusqu’à ce que cela change, comprendre leur impact sur notre compréhension cosmique et comment les galaxies évoluent de différentes manières restera ambigu.

Peut-être avons-nous déjà vu beaucoup plus de ces anciennes méga galaxies que nous ne le pensons encore Pour des études détaillées, nos télescopes sont souvent attirés par les galaxies massives les plus brillantes mais brûlées avant que leur nature ne soit révélée. Cependant, les astronomes ont repéré des objets plus pâles avec des caractéristiques similaires dans l’univers primitif, explique Stijn Wuyts, astronome à l’Université de Bath en Angleterre, qui n’a pas participé aux travaux récents. Ils pourraient s’avérer être simplement des galaxies moins massives ou encore des galaxies massives plus anciennes observées longtemps après leur formation d’étoiles. Ces objets sont-ils des bougies plus tamisées plus près de la maison ou de vastes bûchers plus loin?

Comme toujours, plus de données sont nécessaires – Et plusieurs télescopes à venir nous aideront dans ce recensement galactique qui voyage dans le temps

Tout d’abord, des taches brillantes suspectes dans un passé lointain doivent être repérées «Si vous souhaitez attirer un grand nombre de candidats, un large champ de vision est idéal», déclare Forrest Le télescope spatial romain Nancy Grace, anciennement connu sous le nom de WFIRST et actuellement ciblé pour un lancement en 2025, aura un champ de vision équivalent à 100 télescopes spatiaux Hubble: ses yeux larges et sensibles verront de nombreuses galaxies massives anciennes possibles.

Ces candidats devront ensuite faire l’objet d’un examen médico-légal en examinant leurs différents spectres pour déterminer leurs propriétés et confirmer qu’ils sont bien de telles galaxies et non des imposteurs. «Idéalement, vous voulez un très gros télescope», déclare Forrest “Cela vous donne plus de zone de collecte – c’est un plus grand seau pour les photons d’un objet”Le télescope de trente mètres d’Hawaï pourrait convenir s’il était construit, et le télescope extrêmement grand pourrait également convenir. Le télescope spatial James Webb – qui sera enfin lancé en octobre après de nombreux retards – devrait également bien fonctionner «Ce n’est pas aussi gros», dit Forrest “Le seau pour les photons est un peu plus petit, mais vous n’avez pas à regarder à travers l’atmosphère,” il y a donc moins d’interférences à gérer

Saracco est particulièrement enthousiasmé par ces prochaines loupes de nouvelle génération, car elles feront plus que simplement trouver des objets extrêmement éloignés. «Nous pourrons observer à l’intérieur [d’une] galaxie, dans des régions formant une seule étoile», dit-il. En d’autres termes, au lieu d’une image floue des caractéristiques globales d’une galaxie, les astronomes auront une vue plus granulaire – la différence entre une esquisse approximative et une peinture détaillée – ouvrant un nouveau chapitre dans notre compréhension de la formation des galaxies

Jusqu’à ce que cette aide arrive, ce domaine scientifique en restera à ses débuts «Il y a tellement d’incertitude dans la formation des galaxies», dit Wheeler

Il peut être déconcertant de chasser des monstres dans le noir Ils menacent les dogmes de l’époque, nous obligeant à élargir nos modèles antérieurs pour les adapter Et si ces modèles s’étendent au point de se casser, ce n’est pas grave «Nous voulons remettre en question, d’une certaine manière, le modèle», déclare Wheeler “Quand les choses ne correspondent pas, c’est là que ça devient intéressant”

Scientific American Space & Physics est un tour d’horizon des histoires les plus importantes sur l’univers et au-delà

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Actualités – GB – Galaxies géantes de l’Univers’ s Childhood Challenge Cosmic Origin Stories
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Galaxies géantes du Universe& # 39; s Childhood Challenge Cosmic Origin Stories

Source: https://www.scientificamerican.com/article/giant-galaxies-from-the-universes-childhood-challenge-cosmic-origin-stories/

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